Внутри каждого вида штаммовая вариативность может возникать в результате эволюции in situ с помощью нескольких механизмов, включая накопление точечных мутаций и структурные изменения генома, возникающие в результате инсерций, делеций, горизонтального переноса генов и внутригеномных перестроек, требующих рекомбинации.
Виды могут различаться по основному способу геномных изменений, лежащих в основе диверсификации штаммов в их среде обитания. Например, в кишечнике человека штаммы Bacteroides fragilis эволюционируют в основном за счет накопления точечных мутаций, но не за счет рекомбинации. Напротив, Helicobacter pylori обязана своим штаммовым разнообразием как рекомбинации, так и накоплению точечных мутаций. Точечные мутации и структурные изменения могут действовать на разных участках одного и того же генома, как было показано на примере многих грибковых фитопатогенов. И мутации, и структурные изменения могут приводить к важным функциональным различиям между штаммами. У H. pylori одна точечная мутация приводит к развитию рака желудка; у Staphylococcus aureus одна точечная мутация приводит к возможности переноса от человека к кроликам. Было показано, что рекомбинация обусловливает резистентность к антибиотикам у Streptococcus pneumoniae и вирулентность у Neisseria meningitidis. Другие бактериальные патогены используют рекомбинацию для создания фаговых вариаций, важных для уклонения от иммунитета.
Несмотря на важность структурных изменений генома в развитии разнообразия штаммов, большинство методов сравнения штаммов, используемых на сегодняшний день, используют один подход, основанный на попарном сравнении однонуклеотидных полиморфизмов (SNPs) между геномами. Методы сравнения геномов на основе SNP также используются для отнесения геномов к одному или разным штаммам одного вида с помощью пороговых значений сходства. Методы, основанные на SNP, очень чувствительны к разнообразию, обусловленному мутациями, но относительно нечувствительны к структурным различиям между геномами, особенно если они основаны на сопоставлении чтений с эталонными геномами.
Это может привести к недооценке разнообразия штаммов у видов с высокой степенью рекомбинации. Методы, основанные на SNP, также могут потенциально переоценивать геномное разнообразие из-за технических или биологических факторов, таких как ошибки секвенирования или появление гипермутантов с повышенным уровнем точечных мутаций. Эти аспекты сами по себе мотивируют разработку методов, позволяющих улавливать структурные различия между геномами. Более того, при сравнительном использовании с подходами, основанными на SNP, такие методы обещают дать более полное представление о том, как различные виды генерируют разнообразие штаммов.
Синтения генома - порядок расположения блоков последовательностей в гомологичных геномных областях в парах метагеномных сборок или геномов, ранее использовалась для оценки эволюционных расстояний между геномами эукариот; у микроорганизмов синтения генов использовалась для выявления событий горизонтального переноса генов. Однако микросинтения (локальное сохранение порядка генетических маркеров в геномных регионах) является упущенным компонентом вариативности для оценки геномного разнообразия и представляет собой неиспользованный и богатый источник геномной информации для сравнения микробных штаммов. Родственные штаммы должны иметь общие синтенические регионы, независимо от вариаций SNP между гомологичными генами.
В данном исследовании мы разработали SynTracker - метод, использующий микросинтению для сравнения штаммов внутри вида. SynTracker использует попарное сравнение гомологичных геномных регионов в метагеномных или геномных сборках, после чего оценивает среднее значение синтении для пары штаммов (average pairwise synteny score, APSS). SynTracker не требует предварительно скомпилированной базы данных эталонных геномов, а использует только один эталонный геном для каждого интересующего вида и относительно нечувствителен к SNPs. Мы разработали SynTracker таким образом, чтобы придать меньший вес SNPs и больший вес вставкам, делециям и событиям рекомбинации. Эти геномные различия менее многочисленны, чем SNP, и с меньшей вероятностью являются результатом ошибок секвенирования.
SynTracker обладает низкой чувствительностью к SNPs, не требует базы данных и не подвержен ошибкам секвенирования. Он превосходит существующие методы при отслеживании штаммов в метагеномных данных и особенно подходит для фагов, плазмид и других контекстов с малым количеством данных. Применяемый в одновидовых наборах данных и метагеномах кишечника человека, SynTracker в сочетании с методом, основанным на SNP, обнаруживает штаммы, обогащенные либо точечными мутациями, либо структурными изменениями, позволяя понять эволюцию микроорганизмов in situ.
SynTracker доступен в виде программы с открытым исходным кодом на GitHub https://github.com/leylabmpi/S...
